Распространение волн в композиционных

Глава 6 содержит анализ волновых процессов и ударных эффектов в телах из композиционных материалов. Теоретические и экспериментальные исследования в этом направлении привлекают все большее внимание. В главе представлен подробный обзор последних (по май 1973 г.) результатов, представляющих самостоятельный интерес для специалистов в области волновой динамики (анализ особенностей распространения волн в композиционных структурах, дисперсии, рассеяния и поглощения волн, ударных воздействий на композиционные материалы, а также описание экспериментальных результатов). [c.11]

Удар и распространение волн в композиционных материалах [c.264]

Другую особенность распространения волн в композиционных материалах можно выявить, рассматривая систему, армированную под углами 45° (см. рис. 5). На наружной поверхности отмечены углы нормали плоской волны, первой достигающей данной точки. Можно заметить, что нормали плоской волны явно концентрируются на волновой поверхности в окрестности направлений, соответствующих волокнам, проходящим через начало координат. Таким образом, может иметь место эффект фокусировки волн в направлении волокон. Для других углов ориентации это явление также проявляется, хотя и не столь в отчетливой форме, как при углах 45°. [c.274]

В этом разделе рассмотрены особенности распространения волн в анизотропных материалах, присущие композиционным материалам. Если геометрические параметры, которые характеризуют напряженное состояние (участок нарастания напряжений, длина волны и т. д.), значительно превышают структурные геометрические параметры (диаметр волокон или частиц, расстояние между волокнами и слоями и т. д.), то композиционный материал в первом приближении может быть представлен как эквивалентный однородный упругий материал . В изотропной среде [c.268]

Отметим, что плоскостная волна сдвига в этом направлении не связана с изгибной волной. Поскольку эффект связанности плоского и изгибного состояний является типичным для композиционных материалов, вызывает удивление то, что волнам такого рода уделялось к настоящему времени существенно меньше внимания, чем другим вопросам динамики композиционных материалов. Исследование распространения волн в слоистых пластинах, учитывающее отмеченный выше эффект, я также анализ взаимодействия плоских и изгибных форм движения в различных волнах, содержится в работе Сана [164.] [c.282]

Распространение волн в изотропном материале, для которого остается лишь две независимые упругие постоянные, будет исследовано в приложении Б. В настоящем разделе мы приведем краткие сведения о распространении упругих волн в анизотропных материалах. Эта задача имеет достаточно длинную историю первые полученные в ней результаты датируются серединой прошлого века. В последние годы интерес к ней возродился в связи с запросами сейсмологии, ультразвуковой техники и теории современных композиционных материалов. [c.361]

Для оценки несущей способности по данному критерию необходимо определить три показателя прочности при линейном напряженном состоянии по стандартной методике и четыре упругих характеристики. Анализ критерия Фишера показал, что все упругие характеристики, а также значения степени анизотропии прочностных и упругих характеристик могут быть определены при помощи неразрушающего метода, например, по параметрам распространения упругих волн в композиционной среде. Ниже будет показана возможность преобразования критерия Фишера для неразрушающего контроля прочностных характеристик некоторых изделий из композиционных материалов. [c.30]

В этих двух томах рассмотрены одиннадцать основных вопросов 1) основы теории упругости анизотропного тела 2) критерии разрушения и анализ разрушения элементов из композиционных материалов 3) расчет ферм, балок, рам и тонкостенных элементов 4) расчет пластин 5) расчет оболочек 6) распространение волн и удар 7) анализ конструкций из композиционных материа-лов методом конечных элементов 8) вероятностный расчет и на-дежность 9) экспериментальные характеристики композиционных материалов 10) анализ напряжений в окрестностях концентраторов напряжений, кромок и узлов соединений 11) проектирование элементов конструкций из композиционных материалов. [c.9]

Анизотропные волны в твердых телах рассматриваются в физике кристаллов и сейсмологии, однако они не свойственны конструкциям, изготовленным из таких распространенных материалов, как алюминий или сталь, и применительно к этим конструкциям не исследовались. Композиционные материалы имеют одно характерное свойство — степень их анизотропии может направленно изменяться. Соответствующим выбором углов ориентации слоев можно изменять распределение волн напряжений в окрестности зоны импульсного нагружения, предотвращая тем самым повреждение конструкции. [c.267]

Возможности формирования и измерения волн напряжений в композиционных материалах, в принципе, определяются уровнем техники экспериментальных исследований соответствующих явлений в твердых телах. Для образования волн напряжений используют пневматические пушки, заряды взрывчатого вещества, ударные плиты, ударные трубы и пьезоэлектрические ультразвуковые генераторы, а для их измерения — тензодатчики, пьезоэлектрические кристаллы, емкостные датчики, оптические интерферометры, методы голографии и фотоупругости. Экспериментальные исследования, не столь обширные как теоретические, тем не менее обеспечивают устойчивый поток информации, необходимой для проверки математических моделей. Результаты экспериментальных исследований скорости распространения волн, рассеяния [c.302]

Точность метода многих данных для задач о распространении волн обще не изучалась. Важно отметить, что ни тот, ни другой метод не может применяться в динамических задачах для композиционных материалов. Для таких материалов в решении задачи о распространении волн достаточно малой длины действительно возможны осцилляции, обязанные своим происхождением дисперсии, обусловленной микроструктурой. [c.147]

Распространение нестационарных волн в вязкоупругой композиционной среде в настоящее время мало исследовано. То-шер [114] использовал метод Фурье (разложение решения по основным гармоникам) для получения скорости распространения и затухания импульсов напряжений в стержнях из композиционных материалов тканного типа на основе фенольной смолы. Теоретические результаты, основанные на применении эффективных комплексных модулей, найденных из опытов на вынужденные колебания, хо рошо согласуются с экспериментальными данными. [c.182]

Так как в задачах о распространении волн характерный размер неоднородности деформации имеет первостепенную важность, первой тестовой задачей, из которой можно извлечь информацию о пригодности той или иной теории к исследованию динамического поведения, является задача распространения гармонических волн в бесконечной композиционной среде. Характерным размером здесь является длина волны Л, которая обычно вводится при помощи волнового числа k = 2я/Л. При наличии дисперсии гармонические волны различной длины распространяются с разными скоростями. Теория эффективных модулей непригодна для описания этого факта, так как классическая модель анизотропного континуума не может объяснить явление дисперсии свободных гармонических волн, которое имеет место в композиционной среде достаточной протяженности в том случае, когда длина волны имеет тот же порядок, что и характерный размер структуры. Для слоистой среды, [c.357]

Основными параметрами, используемыми при неразрушающем контроле, являются скорость распространения упругих волн в различных структурных направлениях, диэлектрическая проницаемость и коэффициент теплопроводности. Поэтому в настоящем параграфе рассмотрим методику контроля указанных параметров в изделиях из композиционных материалов. Как уже указывалось, скорость упругих волн (продольных, сдвиговых, поверхностных и др.) определяется импульсным ультразвуковым методом, диэлектрическая проницаемость — емкостным или микро-радиоволновым. Более эффективным является последний, так как позволяет проводить контроль без контакта с поверхностью изделия. [c.131]

При дискретном способе моделирования неоднородных сред масштаб дискретизации или характерный размер дискретных элементов мон ет быть выбран согласованно с длиной волн, распространение и взаимодействие которых в композиционном материале предполагается моделировать без существенного усреднения. Например, по априорной информации о характерном времени изменения динамической нагрузки (Af ), размере зоны ее приложения (L ), об упругих параметрах каждого из компонентов композиционного материала или о максимальной скорости распространения упругих волн (г) ), характерном масштабе неоднородности (I ) можно оценить размер дискретного элемента (d) в виде [c.141]

Однако конструкторы обычно применяют композиционные материалы для того, чтобы они воспринимали силы или распределенные нагрузки. В случае, когда эти силы образуются в результате удара или импульсного воздействия, они распространяются по конструкции в виде волн напряжений. Если напряженное состояние конструкции при статическом или квази-статическом (колебания) нагружении может быть предсказано с помощью достаточно хорошо разработанных методов, то анализ распространения импульсов напряжений в сложных конструкциях даже для однородных материалов представляет значительные трудности. Анизотропия и свойственная композиционным материалам неоднородность еще более усложняют эту проблему. [c.265]

В теории механических колебаний балок из композиционных материалов, а также других конструкций можно выделить два основных направления (они обсуждаются в работах [34, 1 ]) метод эффективных модулей и метод эффективных жесткостей. Согласно первому методу композиционный материал в задачах динамики рассматривается как однородный и ортотроппый (свойства такого условного материала соответствуют исходному материалу), а согласно второму — по упругим постоянным волокон и связующего и геометрическим параметрам находят эффективные жесткости . Эти методы приводят к различным уравнениям движения. и граничным условиям. Значение метода эффективных жесткостей заключается в возможности описывать волновую дисперсию, кроме того, он более эффективен в задачах о распространении волн. Проблема распространения волн в композиционных материалах здесь не обсуждается. Отметим только, что она рассмотрена в работах [40, 6, 16, 82]. В задачах динамики конструкций из композиционных материалов метод эффективных жесткостей получил более широкое распространение. Для балок из слоистых композиционных материалов наиболее эффективна разновидность метода, которая изложена в работе [77] и описана ниже.. [c.138]

Беренс на упрощенных моделях изучал распространение волн в композиционном материале и в однородных телах и сравнивал результаты наблюдений. Эффективные упругие модули получались при предельном переходе к волнам бесконечной длины, что соответствует статическому случаю. [c.90]

Скорости распространения волн напряжений для некоторых композиционных материалов приведены в табл. 1 (там же для сравнения представлены скорости распространения волн в тради- [c.266]

Вейтсман [187, 188] рассмотрел распространение волн в трансверсально изотропных композиционных материалах с жесткими волокнами. [c.275]

Рассеяние волн в композиционных материалах нуждается в дальнейших исследованиях. Распространение модели Муна и Моу на волокнистые композиционные материалы можно осуществить, используя работу Моу и Пао [119], в которой рассмотрена динамика цилиндрического включения, содернсащегося в упругой матрице. Если относительное объемное содержание волокон превышает 10%, необходимо учитывать многократное рассеяние, что и было сделано Моком, Чоу и Германсом. В работах Сви [169, 170] построена эквивалентная вязкоупругая модель, описывающая рассеяние волн, связанное с наличием пор в слоистом композиционном материале. [c.299]

В предыдущих разделах предполагалось, что деформации, сопровождающие распространение волн, являются малыми, и материал можно считать линейно-упругим. Работы, посвященные нелийненому волновому анализу упругих композиционных материалов, немногочисленны можно отметить, например, работу Бен-Амоза [27], в которой рассматриваются волны оконечной амплитудой, распространяющиеся вдоль волокон композиционного материала. Столь же небольшое число работ посвящено в настоящее время пластическим волнам в композиционных материалах. Влодарчик [196] исследовал ударные волны в пластической слоистой среде с линейным законом разгрузки. Плоские волны в анизотропных упругопластических телах исследовал Джонсон [79] вне связи с композиционными материалами. [c.300]

Простота применения и точность метода Фурье была отмечена и другими авторами, изучавшими распространения волн в монолитных полимерных материалах. Например, Кнаусс [60] проанализировал нестационарные колебания аморфных полимеров в вязкоупругой переходной зоне из стеклообразного в каучукоподобное состояние. Мао и Радер [65] использовали этот метод для исследования распространения импульсов напряжений в стержнях из полиметилметакрилата, обладающего малым тангенсом угла потерь. Однако пока в литературе не встречаются результаты исследования методом Фурье влияния микроструктуры на стационарные волновые процессы в композитах. Для изучения этого вопроса можно было бы прямо применить описанные в предшествующем пункте приближенные методы по-видимому, в них можно было бы учесть различные представления вязкоупругих характеристик компонентов композиционных материалов. Хотя при использовании численного решения график функции изменения импульса напряжений от времени может иметь большую кривизну, вязкоупругое затухание обычно устраняет этот недостаток, за исключением окрестности точки приложения нагрузки. Применение так называемого метода быстрого преобразования Фурье [79] так же могло бы существенно упростить исследование. [c.182]

Обзоры теоретических и экспериментальных работ по распространению линейных и нелинейных волн в композиционных средах были опубликованы Гёртманом [29] и Пеком [53, 54]. [c.358]

Контактные задачи для тел периодической структуры с непериодическим нагружением имеют значительно меньшую библиографию. Здесь следует отметить работы М. Л. Бурышкина и его композиционный метод [80, 81]. Задачам механики сплошной среды для областей периодической структуры, в том числе и о распространении волн в телах и волноводах периодической структуры, посвящены работы Л. Бриллюэна, М. Пароди [78], Л.А. Вайнштейна [83 В. В. Владимирского [85 [c.12]

Разделы, содержащие информацию, реобходимую для решения этой задачи, включают основы теории упругости анизотропного тела и механики разрушения композиционных материалов, результаты исследования напряженного состояния стержней, пластин и оболочек, анализа распространения волн и ударных воздействий, определения концентрации напряжений в окрестности линий возмущения и узлов соединений, оценки надежности, описания процессов автоматизированного проектирования и некоторых экспериментальных методов. [c.9]

Рассмотрим распространение упругих волн в телах, состояпщх из чередующихся слоев с различной жесткостью и плотностью. Такая модель использовалась многими авторами для анализа дисперсии в композиционных материалах 1134, 166]. Исследуемая проблема представляет большой интерес для сейсмологии и рассматривалась применительно к ней [148]. С точки зрения основного подхода такая система аналогична системе дискретных связанных звеньев, описанной в работе Бриллоуина [37]. [c.287]

Таучерт и Мун [176] использовали с этой целью монотонный импульс и сравнили полученные результаты с характеристиками материала, найденными резонансным и статическим методами. Модули упругости эпоксидных боро- и стеклопластиков, определенные статическим и динамическим (при распространении волны вдоль волокон) методами, различались в пределах 2%. Была такнш установлена возможность предсказания рассеяния волн по результатам резонансных испытаний материалов. Таугерт [172, 173] использовал ультразвуковые волны для описания всех упругих постоянных различных композиционных материалов, а также измерил рассеяние ультразвуковых волн и установил, что предварительное растяжение увеличивает демпфирующие характеристики [174]. Рид и Мансон [142] исследовали рассеяние импульса напряжений в композиционных материалах. [c.304]

Линии уровня средних изгибных напряягений, соответству-юпщх этой волне, для пластин из эпоксидного углепластика с углами армирования +15 и +45° при поперечной импульсной нагрузке в форме (42) показаны на рис. 28. Отметим, что поскольку характер распространения рассматриваемой волны в слоистой пластине изотропный, волновой фронт имеет круговую форму. Напряжения, соответствующие второй и третьей изгибным волнам, оказываются малыми. На рис. 29 показана построенная с помощью вычислительной машины пространственная картина распределения изгибных напряжений в пластине из композиционного материала с углами армирования +45°. [c.325]

В настоящей главе была сделана попытка дать сводку результатов, полученных в различных экспериментальных и теоретических работах по волнам и колебаниям, возникающим в направленно армированных композитах, для случая малых деформаций и линейных определяющих уравнений. Эта попытка представляется своевременной, так как за последние годы достигнуты значительные успехи в понимании особенностей линейного динамического поведения композиционных материалов. Линейная теория с ее точными результатами для слоистой среды и различными хорошо обоснованными приближенными подходами к описанию как слоистых, так и волокнистых композитов в настоящее время близка к полному завершению. Этот объем теоретических сведений дополняется экспериментальной проверкой результатов, относящихся к распространению сину-соида льных волн и импульсных возмущений. Следует отметить, однако, что необходимость проведения дальнейших экспериментальных исследований все еще остается важной. Многое еще предстоит сделать и в решении задач с нестационарными волнами, в особенности в определении локальных значений полевых переменных, таких, как напряжения на поверхности раздела фаз и динамическая концентрация напряжений. [c.388]

В окрестности дефекта на поверхности раздела в нагруженном композиционном теле локальные напряжения резко возрастают, особенно около границ дефекта. Если уровень локальных напряжений достаточно высок, то дефект становится неустойчивым и может развиться до столь больших размеров, что тело разрушится. При исследовании динамических задач теории упругости было установлено, что динамическая концентрация напряжений выше концентрации, рассчитанной для соответ-ствуюш,ей статической задачи. Вследствие этого может оказаться, что дефект на поверхности раздела будет развиваться или нет в зависимости от того, прикладывается ли внешняя нагрузка внезапно, скачком, или же возрастает постепенно. Распространение дефекта вдоль поверхности раздела двух соединенных упругих тел с различными упругими константами и различными плотностями изучалось в работе Брока и Ахенбаха [17]. Было установлено, что развитие дефекта вызвано концентрацией напряжений, возникающей в тот момент, когда система горизонтально поляризованных волн достигает границы дефекта. Предполагалось, что разрыву адгезионных связей предшествует течение в слое, связывающем тела в единую систему. Была вычислена скорость перемещения переднего фронта зоны течения для различных значений параметров, определяющих свойства материала, и различных систем волн. Оказалось, что по достижении критического уровня пластической деформации происходит разрыв материала на заднем фронте зоны течения. [c.387]

Кроме того, для предупреждения превышения скорости нужно учитывать, что на перемещение ручки крана машиниста в тормозное положение, распространение тормозной волны и приведение в действие воздухораспределителей, а также на наполнение тормозных цилиндров сжатым воздухом и создание тормозной силы в поезде затрачивается определенное время. Известно, что при скорости 40 kmJh и менее у поездов, вагоны которых оборудованы композиционными тормозными колодками или дисковыми тормозами, тормозной эффект меньше, чем при чугунных колодках. Поэтому при движении поезда, в особенности по спуску, торможение необходимо начинать заблаговременно, так как в период начала торможения скорость поезда продолжает расти. Когда же тормозная сила станет больше ускоряющих сил, действующих на поезд, его скорость начнет постепенно уменьшаться и, если при этом не изменить силу тормозного нажатия путем ступенчатого или полного отпуска тормозов, произойдет остановка поезда. [c.12]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...